Nghiên cứu phương pháp quản lý nhiễu trong truyền thông D2D

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.89 MB, 22 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

HỌC VIEN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

NGUYEN THỊ YEN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHAP QUAN LÝ NHIÊU TRONG TRUYEN THONG D2D

Chuyén nganh: KY THUAT VIEN THONG Mã sé: 8.52.02.08

TOM TAT LUAN VAN THAC Si

HA NOI -2019

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<small>Luận văn được hồn thành tại:</small>

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

<small>Người hướng dẫn khoa học: - PGS.TS. Lê Nhật Thăng.</small>

<small>nghệ Bưu chính Viễn thơng</small>

Có thé tìm hiểu luận văn tại:

<small>- Thư viện của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

MỞ ĐẦU

Trong kịch bản mạng di động tế bào, truyền thông D2D là công nghệ giúp cải thiện

dung lượng hệ thống, tốc độ dé liệu, tối ưu sử dụng phô bằng cách cho phép hai thiết bị trực

tiếp truyền thông với nhau mà không thông qua trạm gốc. Mặc dù đem lại rất nhiều lợi ích

nhưng truyền thơng D2D phải giải quyết một bài toán lớn là nhiễu giữa truyền thông D2D

<small>và mạng di động khi chia sẻ cùng tải nguyên.</small>

Từ những lý do trên, học viên chọn đề tài: “Nghién cứu phương pháp quản lý nhiễu

trong truyền thông D2D”.

Kết cấu luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về truyền thông D2D trong mang di động. Chương 2: Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D.

Chương 3: Đánh giá hiệu năng của phương pháp quản lý nhiễu dưới ảnh hưởng của

Chương 1 - TONG QUAN VE TRUYEN THONG D2D

TRONG MANG DI DONG

<small>1.1. Giới thiệu</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Trong mạng 5G, truyền thông D2D sẽ là một phần quan trọng bởi vì 5G đang hướng

đến một phương pháp tiếp cận dựa trên thiết bị để giảm tải trên trạm cơ sở (BS). Với truyền thông D2D, các thiết bị có thê liên kết trực tiếp với nhau mà không đi qua trạm cơ sở (BS).

1.2. Định nghĩa truyền thông D2D

Truyền thông D2D là truyền thông giữa hai thiết bị, mà khơng có sự tham gia của Base Station (BS), hoặc eNodeB (eNB). Các thiết bị ở khoảng cách gần nhau có thé trực tiếp liên lạc với nhau bằng cách thiết lập liên kết trực tiếp. Do khoảng cách truyền ngắn, truyền thông D2D giúp tiết kiệm năng lượng trong mạng khi so sánh với việc thực hiện truyền thông di động thông thường. Điều này hứa hen cải thiện hiệu năng hệ thống, bao gồm thông lượng và độ trễ. Bên cạnh đó, truyền thơng D2D cịn có khả năng giảm tải lưu lượng truy cập từ mạng lõi. Do đó, đây là một kỹ thuật truyền thông linh hoạt và hiệu quả

<small>Underlay Overlay Controlled Autonomous</small>

1.3.1. Dựa trên phổ tan số

Hình 0.2. Phân loại truyền thơng D2D (theo pho tần số). Dựa trên phé tan sé, truyền thông D2D được phân thành hai loại là:

e Inband: truyền thông D2D sử dụng chung dải tần số với truyền thông di động.

> Underlay: truyền thông D2D sử dụng lại một phan tài nguyên cung cấp cho

truyền thông đi động trước đó.

> Overlay: một phần phổ di động được dành riêng cho truyền thông D2D.

e Oufband: truyền thông D2D sử dụng khác dải tần số với truyền thông di động.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1.3.2. Dựa trên lóp thiết bị

Truyền thơng thiết bị - thiết bị (D2D) trong tang thiết bị được phân loại thành bốn loại

e Thiết bị chuyển tiếp với thiết lập liên kết được kiểm soát từ nhà điều hành: Ö các vùng biên tế bào hoặc vùng phủ sóng yếu, các thiết bị có thể có nhu cầu giao tiếp với trạm cơ sở (BS) bằng cách truyền thông tin qua các thiết bị khác thay cho việc truyền thông trực

tiếp đến BS.

e Truyền thông trực tiếp giữa các thiết bị có thiết lập liên kết được kiểm soát bởi nhà điều hành: hai thiết bị truyền thông trực tiếp với nhau, tuy nhiên các liên kết điều khiển được cung cấp bởi trạm gốc.

e Thiết bị chuyến tiếp với thiết lập liên kết được kiểm sốt từ thiết bị: Hai thiết bị

truyền thơng qua thiết bị chuyên tiếp trong mạng di động. Việc phân bổ nguồn tai nguyên, thiết lập cuộc gọi, quản lý nhiễu, tất cả được quản lý bởi các thiết bị. Ở đây, BS khơng tham

gia kiểm sốt liên kết.

e Truyền thơng trực tiếp giữa các thiết bị (Direct D2D) với thiết lập liên kết được kiểm soát bởi thiết bị: Thiết bị truyền thơng trực tiếp, mà khơng có sự trợ giúp từ trạm cơ

sở (BS) hoặc thiết bị chuyên tiếp. Thiết lập và quản lý liên kết được xử lý bởi các thiết bị.

1.4. Lộ trình phát triển truyền thơng D2D

Sự phát triển bùng né của Internet van vật (IoT) và các dịch vụ đi kèm đòi hỏi chúng ta phải chuẩn bị sẵn sàng không chi ở hạ tang kết nối với hiệu năng cao, độ trễ thấp. Sự ra

đời của truyền thông D2D là một bước tiến mới đề cải tiến những nhược điểm của các công

nghệ cũ như Bluetooth hay Wifi. Đến thế hệ mạng di động 5G, truyền thông D2D được xem là một phần tất yếu nhằm giảm tải cho trạm cơ sở khi mà số lượng kết nối thiết bị với mạng

di động tăng lên một cách đột biến.

1.5. Tính năng của truyền thơng D2D

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<small>1.6.1. Thuận lợi</small>

e Truyền thông I chặng

e Khả năng tái sử dụng pho e Tối wu hóa mức cơng suất

<small>e Cải thiện vùng phi</small>

Chương này đã trình bày tổng quan về truyền thơng D2D trong mạng di động. Truyền

thông D2D cho phép các thiết bị người dùng trao đổi thông tin trực tiếp với nhau thay vì phải chuyên tiếp qua trạm cơ sở, giúp cải thiện hiệu quả phổ và nâng cao hiệu suất năng

lượng của mạng. Với nhiều lợi ích và ưu điểm, truyền thơng D2D được kì vọng sẽ là cơng nghệ then chốt và cung cấp nhiều ứng dụng trong các mạng thế hệ tiếp theo (5G). Tuy nhiên, vấn đề chia sẻ tài nguyên giữa người dùng di động và người dùng D2D gây nhiễu lẫn nhau. Vì vậy, cần phải có phương pháp quan lý dé nhiễu giữa truyền thơng D2D và mạng di

động là nhỏ nhất có thê.

Chương 2 - QUAN LÝ NHIÊU TRONG TRUYEN THONG D2D

<small>2.1. Giới thiệu</small>

Truyền thơng D2D ở chế độ Underlay dưới sự kiểm sốt của trạm cơ sở sẽ được xem

xét ở Chương này. Việc sử dụng chung tài nguyên giữa truyền thông D2D và mạng di động sẽ gây ra nhiễu. Có 2 loại nhiễu chính tồn tại trong hệ thống:

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

+ Trong đường xuống: Nhiễu từ thiết bị người truyền sử dụng truyền thông D2D (TUE - Transmitting User Equipment) tới các thiết bị người dùng di động (CUEs - Cellular User Equipments) xung quanh nó. Ngồi ra, ta cũng xét đến nhiễu gây ra bởi tín hiệu BS

lên thiết bị người nhận của truyền thông D2D (RUE - Receiving User Equipement).

+ Trong đường lên: Nhiễu từ các thiết bị người dùng di động (CUEs) xung quanh tới

thiết bị người nhận sử dụng truyền thông D2D (RUE) và nhiễu từ TUE gây ra tại BS.

<small>Trong chương này, một chương trình quản lý nhiễu dựa trên khu vực ngăn chặn</small>

nhiễu (ISA) được nghiên cứu dé thực hiện quản lý nhiễu giữa truyền thông D2D va mang di

động. Trong phương pháp này, tồn bộ diện tích vùng phủ có thé được chia thành hai phan theo độ mạnh của nhiễu. Phần diện tích có nhiễu mạnh vào đường xuống và đường lên được định nghĩa là khu vực ngăn chặn nhiễu ISA. Sau đó, quản lý năng lượng và phân bồ nguồn tài nguyên được áp dụng để giảm sự tác động của nhiễu. Ngồi ra, việc tính tốn bán kính của ISA cũng được xem xét. Hiệu năng hệ thống tối ưu có thé đạt được bằng cách điều

<small>chỉnh phạm vi của ISA. Bên cạnh đó, một phương pháp quản lý nhiễu khác cũng được tìm</small>

hiểu để giảm nhiễu giữa truyền thông D2D và truyền thông di động thông thường đó là

phương pháp dựa trên vùng hạn chế nhiễu (ILA).

2.2. Phương pháp quản lý nhiễu ISA cho truyền thông D2D underlay 2.2.1. Mơ hình hệ thống

Mơ hình hệ thống được sử dụng là một mạng di động với truyền thông D2D và liên kết di động chia sẻ tài nguyên. Trong đó, có M CUEs và một cặp D2D được phân bố một cách ngẫu nhiên. Trong đường xuống, BS truyền tín hiệu tới CUEs, và TUE truyền tín hiệu đến RUE, và trong đường lên, CUEs truyền tín hiệu tới BS, TUE vẫn truyền tín hiệu đến RUE. Tất cả các kênh tài nguyên bao gồm M kênh đường lên và M kênh đường xuống của người dùng di động (CUE) đều được phép chia sẻ cho người dùng D2D.

Hình 2.1 mơ tả mơ hình hệ thống của truyền thông D2D trong phương pháp ISA (khu

<small>vực ngăn chặn nhiễu).</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

——> Tín hiệu ---* Nhiễu

Hình 2.1. Mơ hình hệ thống của truyền thơng D2D trong phương pháp ISA.

CUE: Thiết bị người sử dụng di động. TUE: Thiết bị người truyền D2D.

RUE: Thiết bị người nhận D2D.

Tất cả các kênh tài nguyên bao gồm M kênh đường lên và M kênh đường xuống của người dùng di động (CUE) đều được phép chia sẻ cho người dùng D2D.

2.2.2. Đánh giá hiệu năng hệ thống

Truyền thông D2D bên cạnh sự phụ thuộc vào khoảng cách, mô hình suy hao đường truyền cũng được xem xét để tính tốn sự mất mát năng lượng truyền dẫn. Mục tiêu cuối

cùng là kênh tài nguyên của người dùng di động dé phân bồ cho cặp truyền thông D2D.

2.2.3. Xây dựng khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA)

Khu vực ngăn chặn nhiễu ISA được định nghĩa cho cặp D2D để chỉ ra khu vực có

<small>nhiễu nghiêm trọng. CUEs và cặp D2D trong cùng ISA sẽ gây nhiễu nghiêm trọng cho</small>

<small>nhau, va yêu câu các nguôn tải nguyên trực giao.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<small>diye up, ` là khoảng cách giữa TUE va CUE thứ #.</small>

a: là hệ số suy hao đường truyền.

A: độ dài bước sóng của tần số phát.

Rạ„, : là bán kính của ISA trong đường xuống (ISA, ).

<small>P,,: là mức năng lượng ngưỡng được xác định trước của tín hiệu nhận từ cặp D2D</small>

đến CUEs.

Khi đó, khoảng cách tối thiểu giữa TUE và CUE để nhiễu gây ra bởi TUE đến CUE có thé chấp nhận được là R„„, Rp, được tính bằng cơng thức:

Số lượng kênh tài ngun có thé được sử dụng cho truyền thơng D2D phụ thuộc vào

bán kính của ISA. Vì R,, và R,, lần lượt phụ thuộc vào P,,, Py; và P„, By, cho nên BS<sub>UE,</sub>

có thé điều chỉnh bán kính của ISA bang cách thiết lập các thông số liên quan.

<small>Khu vực ngăn chặn nhiễu được minh họa như trong Hình 2.2 dưới đây.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 0.1. Khu vực ngăn chặn nhiễu.

Tài nguyên của các người dùng di động CUE nam trong khu vực ngăn chặn nhiễu (biểu diễn bởi hai hình trịn màu xanh như trong hình vẽ) sẽ không được phân bé cho cặp truyền thông D2D.

2.2.4. Điều khiển công suất

Dé quyết định công suất truyền tải của TUE (Đ„„), BS thiết lập một mức SINR ngưỡng 7 và công suất truyền tải tối đa của TUE (Pruemax )- Đề đảm bảo chất lượng của truyền thông D2D, Pu, nên dap ứng mức SINR ngưỡng 7 cảng nhiều càng tốt trên cơ sở không vượt quá mức công suất truyền tải tối đa của TUE.

2.2.5. Phân bỗ nguồn tài ngun

BS có thể kiểm sốt bán kính của ISA bằng cách thiết lập các thông số liên quan, và thông qua phân bổ nguồn tài nguyên sử dụng một kênh đặc biệt có tên là D2DCH, nhiễu giữa truyền D2D và mạng di động sẽ giảm và hiệu suất của hệ thống được cải

2.3. Phương pháp vùng hạn chế nhiễu ILA cho truyền thông D2D underlay

<small>2.3.1. Giới thiệu</small>

Trong phan này, phương pháp kiểm soát vùng hạn chế nhiễu và kế hoạch phân bổ nguồn tài nguyên sẽ được xem xét. Đầu tiên vùng phủ của khu vực hạn chế nhiễu sẽ được tính tốn. Sau đó, dựa trên vùng hạn chế nhiễu, một chiến lược phân bồ tài nguyên sẽ được

2.3.2. Mơ hình hệ thống

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Trong mơ hình nay gồm có M người sử dụng di động CUEs và một cặp D2D. Chúng

được phân bố một cách ngẫu nhiên trong tế bào và chịu sự quản lý của BS. Như trong Hình 2.3 bên dưới, người truyền D2D (TUE) truyền dữ liệu ở mức năng lượng P, tới người nhận D2D (RUE). Khoảng cách từ BS đến TUE va RUE lần lượt là d, và d,. Khoảng cách giữa TUE va RUE là L. Người truyền D2D (TUE) được đặt trong vùng phủ Z, có bán kính r,

<small>người nhận D2D (RUE) được đặt trong vùng phủ Z, có bán kính z;.</small>

<small>* Truyền dữ liệu</small>

<small>—-> Nhiễu</small>

Hình 0.2. Mơ hình hệ thống của truyền thơng D2D trong phương pháp ILA.

Đầu tiên, BS hạn chế nhiễu giữa truyền thông D2D và mạng di động bằng cách sử dụng phương pháp vùng hạn chế nhiễu. Sẽ khơng có CUEs nào sử dụng cùng tài nguyên với người dùng D2D trong các khu vực Z, va Z,. Cuối cùng, BS quyết định các nguồn tài

nguyên thích hợp cho người dùng D2D, nhằm cải thiện thông lượng mạng.

2.3.3. Đánh giá hiệu năng hệ thong trong đường xuống

Truyền thông D2D được mô phỏng dưới kịch bản mạng tế bào gồm 3 trạm như trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Tổng dung lượng trong truyền thông di động và dung lượng trong truyền thông D2D

C,: là dung lượng trong truyền thơng di động. C,: là dung lượng trong truyền thông D2D.

<small>SINR,,: là SINR của CUE, chia sẻ tài nguyên với người dùng D2D.</small>

SINR,,: là SINR của CUE, khơng có nhiễu lẫn nhau với truyền thông D2D.

SINR,: là SINR của liên kết D2D.

K là số người dùng trong M người dùng chia sẻ kênh tài nguyên cho truyền thông

Tổng dung lượng hệ thống bằng:

Crotat = C, + Cụ (2.17)

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

2.3.4. Hạn chế nhiễu từ truyền thơng D2D

Vì truyền thơng di động là dich vụ chính trong tế bào, BS nên hạn chế nhiễu từ

truyền thông D2D dé đảm bảo chất lượng của các liên kết di động. Trong phan này, đầu tiên BS có thể ước tính trước nhiễu nhận được của CUEs. Sau đó, bat kỳ CUEs nào có thé bị ảnh

hưởng nhiều bởi người truyền D2D (TUE) cần được loại trừ. Do đó, nhiễu nhận được tại

CUEs do người truyền D2D (TUE) gây ra có thé được hạn chế. Vùng phủ của khu vực Z, được dựa trên mức hạn chế nhiễu 7,. Bán kính vùng phủ Z, được tính bởi:

r= [Patio (2.20)

2.3.5. Han chế nhiễu từ truyền thông di động

Người nhận D2D (RUE) bị nhiễu nặng từ các mạng di động nếu có CUEs sử dụng

cùng một nguồn tài nguyên gần nó. Dé đảm bảo hiệu năng truyền thông D2D, SINR nhận được của các liên kết D2D phải lớn hon mức hạn chế tối thiêu S$/NR,„„. Vùng phủ của Z,

- Cae (2.25)

P G, ~ SINR j win Ny

Sau khi ước lượng vùng phủ Z,, BS có thé quan lý nhiễu từ mang di động đến truyền

thông D2D. Người dùng D2D chỉ có thé sử dụng lại các nguồn tài nguyên tương tự với các

CUEs không nằm trong khu vực Z,.

2.3.6. Phân bé tài nguyên

Xác định các kênh con trung tâm đặt là S,, các kênh con ở biên của tế bào được đặt là S, và kênh con được phan bổ cho truyền thông D2D là s„. Các tài nguyên được gan cho người dùng D2D có thé được xác định theo các bước sau:

<small>Kênh con được lựa chọn theo vi trí của người dùng D2D:</small>

Q, = lh <(S, — 5.) Khi ở trung tâm (2.26)

siseS, Khi ở biên

Loại trừ người dùng di động (CUEs) khỏi vùng hạn chế nhiễu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Q, ={s/seS.,s¢5S,,s¢5,\ (2.27)

Phân bổ tài nguyên cho người dùng D2D: Kênh con được sử dung cho người dùng D2D Q, có thé được chọn bằng giao của Q, và Q,:

Sau đó, BS chon K người dùng di động từ Q, trên cơ sở tối da hóa tổng dung lượng

<small>của người dùng di động và người dùng D2D:</small>

Sy = MAX Ryyai (s,),s, Qj (2.29)

Người sử dung D2D sẽ được chỉ định dé tái sử dung các kênh con của người dùng di động CUEs có độ lợi kênh đạt được tốt nhất cho BS. Do đó, kênh con được phân bé cho

2.4. Kết luận Chương 2

<small>Chương 2 đã trình bày hai phương pháp quản lý nhiễu là phương pháp ISA (khu vực</small>

ngăn chặn nhiễu) và phương pháp ILA (vùng hạn chế nhiễu). Đối với mỗi phương pháp, đã

đưa ra mơ hình hệ thống, tính tốn các tham số hiệu năng (độ lợi kênh, tỷ số tín hiệu trên

nhiễu cộng tạp âm, dung lượng của hệ thống,...), tính tốn khu vực ngăn chặn/hạn chế

nhiễu dé xác định được tài nguyên nào có thé sử dụng cho truyền thơng D2D va từ đó đề

xuất kế hoạch phân bồ tài nguyên cho truyền thông D2D. Hai phương pháp này giúp quản lý

hiệu quả vấn đề nhiễu giữa người dùng di động thông thường và người dùng D2D, giúp cải

thiện thông lượng của hệ thống. Những nội dung trình bay trong Chương 2 là cơ sở dé mô

phỏng, đánh giá hiệu năng của hệ thống được thực hiện trong Chương tiếp theo.

Chương 3 - ĐÁNH GIÁ HIEU NANG CUA PHƯƠNG PHAP

QUẢN LÝ NHIÊU DƯỚI ẢNH HƯỚNG CỦA PHA ĐINH

3.1. Anh hưởng của pha đỉnh trong quản lý nhiễu

Pha đỉnh là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ

thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn. Trong chương này các phương pháp

<small>quản lý nhiễu được đánh giá dưới ảnh hưởng của pha đinh Rayleigh.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Hình 0.1. PDF của biến ngẫu nhiên Rayleigh với o’ =1.

3.2. Đánh giá hiệu năng của hệ thống dựa trên phương pháp ISA (khu vực ngăn

chặn nhiễu)

<small>3.2.1. Mơ hình mơ phỏng</small>

Mơ hình mạng tế bào là một macro-cell có tâm là trạm gốc với bản kính là 1200m. Hệ thống anten được giả định là vô hướng. Các tham số hệ thống được liệt kê trong Bảng 3.1.

Bang 3.1. Tham số mơ phóng ISA

Tham số Giá trị

Số người dùng trong một cell 400 người

Công suất phát của BS 46 dBm

Công suất phát của UE và TUE 20 dBm

Công suất tạp âm -174 dBm

<small>Độ dai bước sóng (LTE 1900 MHz) 0,158 mKhoang cach gitta TUE va RUE 250m</small>

Phuong sai bién ngau nhién Rayleigh 2

Đầu tiên, một tế bao bao gồm 400 người dùng di động (CUEs) và một cặp D2D được phân bồ một cách ngẫu nhiên, khoảng cách giữa TUE va RUE là khơng đổi. Hình 3.2 mơ ta phân bố của các CUE và cặp D2D trong mạng.

</div>